� �

Vodič kroz nauku

Svemir, život i sve ostalo

Džon Gribin i Meri Gribin

PrevelaVesna Uskoković

� �

SADRŽAJ

Uvod 9 1 Atomi i elementi 19 � Unutar atoma �1 � Čestice i polja 67 � Hemija 89 � Molekuli života 11� 6 Evolucija 1�7 7 Naša promenljiva planeta 161 8 Vetrovi promene 189 9 Sunce i njegova porodica �1110 Životi zvezda ��911 Veliko i malo �6� Indeks �89

Naslov originala

John GribbinAlmost Everyone’s Guide to Science

Copyright © 1999 by John & Mary Gribbin

Translation Copyright © �00� za srpsko izdanje, LAGUNA

6 7

U prvom planu svih stručnjaka uvek mora biti briga za čoveka i njegovu sudbinu... kako bi stvaralaštvo našeg uma bilo blagoslov a ne nesreća za čovečan-stvo. Imajte uvek to na umu kada radite na svojim dijagramima i jednačinama.

Albert AjnštajnKaltek, 19�1

8 9

Kada se u nauci radi s veoma velikim i veoma malim broje­vima, kao što će to biti slučaj u ovoj knjizi, ekonomično je pisati skraćenice umesto dugačkih redova nula U naučnoj literaturi 102 znači 100 (jedinica – 1 – iza koje se nalaze dve nule), 103 znači 1 000, i tako dalje Na drugoj strani skale 10-1 znači 0,1, dok 10-2 znači 0,01 Ovo obeležavanje naročito je korisno kada se upotrebljavaju brojevi poput Avogadrovog broja (videti prvo poglavlje), koji se u nauci obeležava kao 6 x 1023; u suprotnom bismo morali da napišemo 600 000 000 000 000 000 000 000

Ovde treba obratiti pažnju na važnost koju ima naizgled mala promena u stepenovanju broja deset Na primer, 1024 deset puta je veće od 1023, a 106 nije polovina od 1012 već milion puta manje

UVOD

Ako se ne slaže s ogledom – pogrešno je

Sudbina stručnjaka svake naučne discipline jeste da se usmerava na sve uže i uže područje istraživanja kojim se bavi, pribavljava sve veće količine znanja o sve manjem i manjem, dok na kraju ne dođe do toga da zna sve o ničemu

Da bih izbegao tu sudbinu, pre mnogo godina odlučio sam da postanem naučni pisac, a ne naučni istraživač To mi je pružilo priliku da se kod pravih naučnika raspitam o njihovom radu, te da od toga objavljujem brojne članke i knjige Ovakva vrsta bavljenja naukom omogućila mi je da znam sve manje i manje o sve većem i većem, premda još nisam stigao do stepena da znam ništa o svemu Nakon trideset godina rada i mnogih knjiga koje su obrađivale neka posebna područja nauke, učinila mi se dobrom zamisao da napišem jednu opštu knjigu koja će pružiti širok pogled na celokupne prirodne nauke, budući da mi se posrećilo da znam podosta iz svih naučnih područja

Kada pišem neku knjigu, prva publika kojoj je ona name­njena obično sam ja sâm Pišem takvu knjigu o, recimo, kvantnoj

Džon Gribin i Meri Gribin10 Vodič kroz nauku 11

fizici, ili evoluciji, i želeo bih da ju je neko drugi napisao pre mene, čime bi me poštedeo muka pronalaženja svih podataka i znanja koja su mi potrebna Ovoga puta, pisao sam, međutim, ne za sebe već za sve druge, u nadi da će oni naći nešto što ih zanima, u čemu će uživati Ako znate ponešto (ili mnogo) o kvantnoj fizici, ovde možete naći neke stvari o, recimo, evoluciji Ako vam je evolucija u malom prstu, možete otkriti nešto novo o Velikom prasku i tako dalje

I tako, premda sam svestan duha Isaka Asimova koji prati moj rad (nadam se s odobravanjem) u vezi s ovim tako sve­obuhvatnim projektom, ovo nije „Vodič kroz nauku Džona Gri­bina“ već vodič za svakoga To i nije toliko vodič za ljubitelje nauke (premda je i za njih), koliko vodič za zbunjene ljude, za svakoga ko je neodređeno svestan važnosti nauke, ali obično i zaplašen njenim stručnim jezikom i pojedinostima Ovde nećete naći na takve stručnosti (sve njih je, ako ih je i bilo, odstranila moja koautorka, držeći na uzdi svaki moj pokušaj ekstravagan­cije, i zadržavala samo ono što je razumljivo nestručnjaku) Ono što ćete ovde naći jeste pregled autora o tome kakvo je stanje nauke na prelazu iz �0 u �1 vek i kako se razni delići mozaika nauke slažu u suvislu veliku sliku svemira i svega u njemu

Činjenica da se ti delići uopšte i mogu složiti jeste nešto što bi vam moglo promaći ako se previše zagledate u samo jedno područje nauke, recimo kosmologiju ili evoluciju, no ta činje­nica veoma je važna za nauku I evolucija i Veliki prasak ute­meljeni su na istim načelima, pa ne možete tek tako prihvatati neke, a odbacivati druge delove naučne priče Sve su to delići jedinstvene celine

Često dobijam poruke od ljudi koji, iz ovog ili onog razloga, ne mogu da prihvate specijalnu teoriju relativnosti, shodno kojoj vreme pri kretanju teče sporije, a dužina se skraćuje Ponekad ljudi očajnički nastoje da zaobiđu zaključke te teorije, istovre­meno prihvatajući sve drugo u nauci Ali, to ne može da se učini Specijalna teorija relativnosti nije neko usamljeno ostr­

vo, teorija o promeni vremena i prostora, već nam je potrebna i pri tumačenju, na primer, načina pretvaranja mase u energiju u unutrašnjosti Sunca i toga kako se elektroni ponašaju unutar atoma Odbacite li one delove teorije za koje vam se čini da se kose sa zdravim razumom, ostaćete i bez objašnjenja izvora energije Sunca ili periodnog sistema hemijskih elemenata A to je samo jedan primer

Nadam se da će ova knjiga objasniti kako je sve u savreme­nom pogledu na svet dovedeno u međusobni sklad Taj naučni pogled na svet jeste najveće dostignuće ljudskog uma, a veličina toga dostignuća dolazi više do izražaja pri gledanju na njego­vu opštu sliku nego pri obraćanju sveukupne pažnje na neku pojedinost

Dve važne međusobno povezane karakteristike naučnog pogleda na svet prečesto se previđaju, a bitno je naglasiti ih Prvo, cela ta razvojna priča ne traje duže od četiri veka (počevši od vremena Galileja, koje mi se čini više od bilo kog drugog kao trenutak započinjanja savremenog naučnog traganja) Drugo, sve to može shvatiti ljudski um Možda nismo svi u stanju da pojmimo baš svaki pojedini delić naučne slike sveta; no neki od nas to mogu, iako ljudi imaju tako ograničen životni vek I prem­da se mora pričekati da se pojavi genije koji će doći na zami­sao kakva je teorija evolucije prirodnim odabiranjem, jednom kad se ta zamisao uobliči, ljudima prosečne inteligencije ona se može objasniti – što često izaziva spontani odgovor: „Kako je to očito; kako glupo od mene da se sâm nisam toga setio!“ (Takva je, na primer, otprilike bila reakcija Tomasa Henrija Hakslija kad je prvi put pročitao Poreklo vrsta Čarlsa Darvina ) Kao što je Albert Ajnštajn rekao 19�6: „Najneshvatljivije na svetu jeste to da je svet shvatljiv“

Razlog razumljivosti svemira za nas smrtna bića skriva se u činjenici da njime vlada mala zbirka vrlo jednostavnih pravila Ernest Raderford, fizičar koji nam je dao model atoma počet­kom dvadesetoga veka, jednom je rekao da se „nauka deli na

Džon Gribin i Meri Gribin1� Vodič kroz nauku 1�

dve kategorije, na fiziku i na filateliju“ To nije bila samo zgo­dna dosetka, premda je on ponekad znao da omalovaži druge naučne discipline, što činjenicu da je dobio Nobelovu nagra­du za hemiju (1908, za rad na radioaktivnosti) čini posebnom poslasticom Fizika je najtemeljnija od svih nauka, i to zato što se bavi najdirektnijim pravilima koja vladaju svemirom i jedno­stavnim česticama od kojih je sve u svemiru sagrađeno, i zato što metode fizike nude arhetip što se koristi u drugim naučnim disciplinama pri razvijanju njihovih delova slike sveta

Najvažnija od tih metoda jeste upotreba onoga što fizičari zovu model Pogledajmo pobliže šta to znači i šta se pod ovom metodom podrazumeva Model je za fizičara kombinacija misa­one slike nečeg što je osnovna tvorevina i skupa matematičkih jednačina koje opisuju ponašanje te tvorevine Na primer, prema jednom modelu, vazduh u sobi u kojoj ovo sada pišem ispunjen je molekulima gasa, a na svaki taj molekul gleda se kao na sitnu tvrdu kuglicu Imamo prateće jednačine koje opisuju, na jednom nivou, kako se te kuglice međusobno sudaraju i odbijaju jedna od druge i od zidova sobe, a, na drugom nivou, opisuju kako prosečno ponašanje vrlo velikog broja tih kuglica stvara pritisak vazduha u mojoj sobi

Ne budite zabrinuti zbog jednačina – potpuno ću ih zane­mariti u ovoj knjizi Ali zapamtite da dobar model uvek sadrži u sebi jednačine, a jednačine su sredstvo pomoću kojeg istra­živači rade da bi predvideli način ponašanja objekata – da bi izračunali, recimo, kako bi se u mojoj sobi promenio pritisak vazduha ako se temperatura podigne za deset stepeni Celzijusa, a sve drugo ostane isto Razliku između dobrog modela i lošeg modela ustanovićemo proveravajući ih ogledom – u pome­nutom slučaju ugrejmo sobu za deset stepeni i gledajmo slaže li se novi izmereni pritisak s pritiskom izračunatim pomoću jednačina modela Ako slaganja nema, modelu je u najboljem slučaju potrebno poboljšanje, a u najgorem slučaju treba ga potpuno odbaciti

Ričard Fejnman, jedan od najvećih fizičara �0 veka, rezimi­rao je naučni proces u predavanju koje je održao 196�, koristeći reč „zakon“, ali je uverljivo izneo tvrdnju koja isto tako važi i za modele:

„Uopšte uzevši, novi zakon tražimo sledećim postupkom: prvo ga pretpostavimo Zatim krenemo da izračunamo posledice i pretpostavke da bismo videli šta bi se dogodilo kad bi pret­postavljeni zakon bio ispravan Onda rezultate izračunavanja uporedimo sa stanjem u prirodi, putem iskustva ili ogleda, upoređujemo ih direktno s posmatranjem, da bismo ustanovili slaže li se to Ako se ne slaže s ogledom, pogrešno je Ta jedno­stavna rečenica ključ je za nauku Uopšte nije važno koliko je lepa vaša pretpostavka Uopšte nije važno koliko ste vi pametni, ko je izrekao pretpostavku, da li je to poznato ime ili ne Važno je samo jedno: ako se ne slaže s ogledom, pogrešno je “

To je srž onoga što nauka i naučni modeli jesu Ako se ne slaže s ogledom, pogrešno je Ali, ima tu još dubljih slojeva Čak i ako se slaže s ogledom, to još ne znači da je model „tačan“ u smi­slu neke večite univerzalne „velike istine“ o prirodi stvari koje proučavamo Samo zato što molekule možemo da smatramo za male čvrste loptice u svrhu izračunavanja pritiska gasa u nekoj prostoriji, to ne znači i da molekuli zaista jesu čvrste loptice – to samo znači da se u određenim okolnostima ponašaju kao da su čvrste loptice Modeli su upotrebljivi unutar nekih – obično

– jasno određenih ograničenja, i izvan tih ograničenja moraju se nadomestiti drugim modelima

Da to još malo pojasnimo Uzmimo sad drugačiji način gle­danja na molekule gasa u mojoj sobi Neki od tih molekula biće vodena para, a kao što zna svaki školarac, molekuli vodene pare, to jest vode, sagrađeni su od tri atoma – dva vodonika i jednog kiseonika, što se piše kao H2O Za neke svrhe, uobičajeni model molekula vode jesu dve majušne čvrste kuglice (vodonikovi

Džon Gribin i Meri Gribin1� Vodič kroz nauku 1�

atomi) spojene s jednom jedinom većom čvrstom kuglicom (kiseonikov atom), i to tako da spoj ima oblik slova V, s kiseo­nikom u njegovom temenu

Za te svrhe, veze među atomima mogu se smatrati malim žilavim oprugama, tako da atomi u molekulu mogu da poska­kuju, vibrirajući ovamo­onamo Ta vrsta vibracije povezana je s karakterističnom talasnom dužinom zračenja – budući da atomi nose naelektrisanje (više o tome kasnije), pa ako su prisiljeni da vibriraju na ovaj način, emitovaće mikrotalasno zračenje, a ako je prava vrsta mikrotalasnog zračenja usmerena na molekule, vibriraće u skladu, u rezonanciji

Upravo to se događa u mikrotalasnoj pećnici Mikrotalasi podešeni na talasne dužine koje izazivaju vibracije u molekulima vode puštaju se u pećnicu i podstiču molekule vode u hrani na vibracije, dakle ti molekuli upijaju energiju i zagrevaju hranu Ovakvo ponašanje nije poznato samo u kuhinji ili laboratori­ji – za njega znamo i iz proučavanja mikrotalasnog zračenja iz oblaka gasa u svemirskom prostoru, zahvaljujući čemu su astronomi otkrili prisustvo molekula vode i mnogih drugih molekula u međuzvezdanom prostoru

Ako ste, dakle, radioastronom, i tragate za molekulima u svemiru, ili ste elektroinženjer koji konstruiše mikrotalasnu pećnicu, „opruge­kuglice“ model molekula vode jeste dobar, pod uslovom da su te opruge dovoljno elastične da mogu valja­no da vibriraju Vi više ne gledate na ceo molekul kao na jednu čvrstu lopticu; ali pojedini atomi, poput atoma kiseonika, i dalje su vam pojedinačne čvrste kuglice

Hemičar koji analizira sastav neke materije gleda na sve to drugačije Ako želite da znate koje su vrste atoma prisutne u nekoj materiji, jedan od načina da se to ustanovi jeste prou­čavanje svetlosti što je zagrejani atomi zrače Različite vrste atoma zrače različite boje, vrlo oštro određene linije u spektru svetlosti – a najpoznatiji primer je žutonarandžasta boja ulič­nih svetiljki koje sadrže natrijum Atomi natrijuma, pobuđeni

u ovom slučaju ne toplotom već električnom strujom, zrače u žutoj svetlosti

Model kojim se opisuje način stvaranja te svetlosti ne gleda na atom kao na čvrstu kuglicu, već kao na jednu tvorevinu koja se sastoji od nekog sitnog središnjeg jezgra (koje se, u ovom slučaju, zasad može takođe smatrati nekom sićušnom čvrstom kuglicom) okruženog oblakom majušnih naelektrisanih čestica zvanih elektroni Središnje jezgro ima neko pozitivno naelek­trisanje, a svaki elektron ima po jedno negativno naelektrisanje Sjajne linije u spektru neke određene vrste atoma objašnjavaju se načinom na koji se ponašaju elektroni u spoljašnjim delovima atoma Ono što, hemijskim jezikom govoreći, razlikuje jednu vrstu atoma od drugih jeste broj elektrona (osam za kiseonik, samo jedan za vodonik, 11 za natrijum); a budući da svaka vrsta atoma ima sebi svojstvenu jedinstvenu raspodelu elektro­na, svaka vrsta atoma proizvodi sebi svojstven uzorak obojenih linija u spektru

Mogao bih da nastavim, ali već vidite na šta ciljam Model u kojem su molekuli vazduha male čvrste loptice jeste dobar jer je upotrebljiv kada treba izračunati kako se s promenom tempera­ture menja pritisak Model u kojem su molekuli građeni od malih tvrdih loptica (atoma) koje zajedno drže neki veznici takođe je dobar jer može da se koristi kad izračunavate kako molekuli vibriraju i proizvode radiotalase A model u kojem atomi nisu nedeljive tvrde kuglice već sićušna jezgra oko kojih se nalaze oblaci elektrona takođe je dobar, jer ga možemo upotrebiti za izračunavanje boje svetlosti neke određene vrste atoma

Nijedan od tih modela nije konačna Velika Istina, ali svaki od njih ima svoju ulogu Ova sredstva koristimo kao pomagala u svojim zamišljanjima o tome šta se tu događa, kao i za izra­čunavanje koje možemo ispitati direktno merenjem, kao što su na primer pritisak vazduha u sobi ili boja koju zrači neka zagrejana materija

Džon Gribin i Meri Gribin16 Vodič kroz nauku 17

Isto kao što tesar neće da upotrebi dleto za istu vrstu posla za koju mu je potrebno svrdlo, tako i naučnik mora da upotrebi pravi model za posao koji radi Kad Fejnman kaže: „Ako se ne slaže s ogledom, pogrešno je“, on pri tom misli ako se ne slaže s odgovarajućim ogledom Model molekula vode kao jedne jedin­stvene čvrste kuglice ne dopušta mogućnost onih vrsta vibracija kakve su mikrotalasne, pa stoga takav model „predviđa“ da vodena para neće emitovati mikrotalase To znači da je, ako smo zainteresovani za mikrotalase, ovo pogrešan model Ali, to ne znači da je isti model pogrešan ako nas zanima kako je pritisak vazduha u sobi povezan s porastom temperature

Sve u nauci vrti se oko modela i predviđanja, oko iznalaže­nja načina na koji ćemo sebi u glavi predstaviti sliku funkcio­nisanja sveta i načina na koji ćemo obaviti proračune koji pred­viđaju šta će se dogoditi u nekim okolnostima Što se više uda­ljavamo od uobičajenog sveta svakodnevice, bilo prema vrlo velikom, bilo prema vrlo malom, to se više moramo oslanjati na analogije: neki atom je, u određenim okolnostima „poput“ bilijarske loptice; neka crna jama je, u izvesnom smislu, „poput“ dubokog ulegnuća u gumenom čaršavu

Bilo bi vrlo zamorno nastaviti kvalifikovanje upotrebe raznih modela na ovaj način, a sada, nakon što sam odvalio kamen sa srca olakšavši svojoj duši ovim priznanjem, neću to više činiti i verovaću vam da ste zapamtili kako je i najbolji model dobar samo u svome kontekstu, i kako se dleto nikad ne upotreblja­va za posao svrdla, i obratno Kad god opisujemo nešto kao

„stvarno“, ono što pri tom mislimo jeste da je to najbolji model za korišćenje u datim okolnostima

Pod takvim uslovima, započevši od dimenzija atoma, spu­stiću vas u svet vrlo, vrlo sitnog, a zatim izneti napolje u veliki svemir, pružajući vam najbolje današnje razumevanje (najbo­lji model) prirode stvari na svim nivoima Sve dalje rečeno je tačno jer se slaže s ogledom; sve se uklapa jedno u drugo poput

delića slagalice i – deluje I sve to može razumeti, bar u opštim crtama, svaki prosečan ljudski um

Nauka sadrži u sebi još jednu karakteristiku, koje se strogo držim i koja je oblikovala građu ove knjige (i celog mog rada), a nje se drže bezuslovno i svi naučnici Za mene je nauka u prvom redu istraživanje našeg mesta u svemiru – mesta što ga čovek zauzima u svetu koji seže od najsitnijih subatomskih čestica pa do najvećih dometa prostora i vremena Mi ne postojimo u osami, a nauka je ljudska kulturna delatnost, a ne samo hladno nastojanje da se otkrije istina, bez obzira na to koliko se trud ulaže Sve se svodi na to odakle smo potekli i kuda idemo A to je najuzbudljivija priča ikada ispričana